Unul dintre aspectele mai provocatoare ale explorării spațiale și proiectarea navei spațiale este planificarea reintrării. Chiar și în cazul planetelor cu atmosferă subțire, cum ar fi Marte, este cunoscută că intrarea în atmosfera unei planete provoacă o mare cantitate de căldură și frecare. Din acest motiv, navele spațiale au fost întotdeauna echipate cu scuturi de căldură pentru a absorbi această energie și pentru a se asigura că nava spațială nu se prăbușește sau nu se arde în timpul reintrării.
Din păcate, nava spațială actuală trebuie să se bazeze pe scuturi uriașe gonflabile sau dislocate mecanic, adesea grele și complicate de utilizat. Pentru a aborda acest lucru, un doctorand de la Universitatea din Manchester a dezvoltat un prototip pentru un scut termic care s-ar baza pe forțele centrifuge pentru a înăbuși materialele flexibile, ușoare. Acest prototip, care este primul de acest fel, ar putea reduce costurile călătoriei în spațiu și ar putea facilita viitoarele misiuni pe Marte.
Conceptul a fost propus de Rui Wu, un doctorand de la Școala de Mecanică, Aerospațială și Construcții Civile din Manchester (MACE). I s-au alăturat Peter C.E. Roberts și Carl Driver - lector principal în Ingineria navelor spațiale și, respectiv, lector la MACE - și Constantinos Soutis, de la Institutul de cercetare aerospațială al Universității din Manchester.
Mai bine spus, planetele cu atmosferă permit navei spațiale să utilizeze tracțiunea aerodinamică pentru a încetini în pregătirea pentru aterizare. Acest proces creează o cantitate extraordinară de căldură. În cazul atmosferei Pământului, sunt generate temperaturi de 10.000 ° C (18.000 ° F), iar aerul din jurul navei spațiale se poate transforma în plasmă. Din acest motiv, navele spațiale necesită un scut de căldură montat în față, care poate tolera căldura extremă și are formă aerodinamică.
În momentul deplasării pe Marte, circumstanțele sunt oarecum diferite, dar provocarea rămâne aceeași. În timp ce atmosfera marțiană este mai mică de 1% decât cea a Pământului - cu o presiune medie de suprafață de 0,636 kPa în comparație cu 101.325 kPa Pământului - navele spațiale necesită încă scuturi de căldură pentru a evita arderea și pentru a transporta sarcini grele. Designul Wu poate rezolva ambele probleme.
Proiectul prototipului, care constă dintr-un scut în formă de fustă conceput să se învârtă, încearcă să creeze un scut termic care să poată satisface nevoile misiunilor spațiale actuale și viitoare. După cum a explicat Wu:
„Navele spațiale pentru misiunile viitoare trebuie să fie mai mari și mai grele ca niciodată, ceea ce înseamnă că scuturile de căldură vor deveni din ce în ce mai mari pentru a fi gestionate ... Navele spațiale pentru misiunile viitoare trebuie să fie mai mari și mai grele ca niciodată, ceea ce înseamnă că scuturile termice vor deveni din ce în ce mai mari pentru a fi gestionate. .“
Wu și colegii săi și-au descris conceptul într-un studiu recent apărut în jurnalArca Astronautica (intitulat „Scuturi de căldură flexibile desfășurate de forța centrifugă“). Proiectarea constă dintr-un material avansat, flexibil, care are o toleranță ridicată la temperatură și care permite plierea și depozitarea ușoară la bordul unei nave spațiale. Materialul devine rigid pe măsură ce scutul aplică forță centrifugă, care se realizează prin rotirea la intrare.
Până acum, Wu și echipa sa au efectuat un test de cădere cu prototipul de la o altitudine de 100 m (328 ft) folosind un balon (al cărui videoclip este postat mai jos). De asemenea, au efectuat o analiză dinamică structurală care a confirmat că scutul de căldură este capabil să se angajeze automat într-o viteză de rotire suficientă (6 rotații pe secundă) atunci când este desfășurat de la altitudini mai mari de 30 km (18.64 mi) - ceea ce coincide cu stratosfera Pământului.
Echipa a efectuat, de asemenea, o analiză termică care a indicat că scutul de căldură poate reduce temperaturile frontale cu 100 K (100 ° C; 212 ° F) pe un vehicul de dimensiune CubeSat, fără a fi nevoie de izolare termică în jurul scutului propriu-zis (spre deosebire de structurile gonflabile ). Proiectarea este de asemenea autoreglabilă, ceea ce înseamnă că nu se bazează pe utilaje suplimentare, reducând și mai mult greutatea unei nave spațiale.
Și spre deosebire de desenele convenționale, prototipul lor este scalabil pentru a fi folosit la bordul navelor spațiale mai mici, precum CubeSats. Fiind echipat cu un astfel de scut, CubeSats ar putea fi recuperat după ce reintră în atmosfera Pământului, devenind efectiv reutilizabile. Acest lucru este în concordanță cu eforturile actuale pentru ca explorarea spațială și cercetarea să fie rentabile, în parte prin dezvoltarea de piese reutilizabile și regăsibile. După cum a explicat Wu:
„Din ce în ce mai multe cercetări se desfășoară în spațiu, dar acest lucru este de obicei foarte scump, iar echipamentul trebuie să partajeze cu alte vehicule. Deoarece acest prototip este suficient de ușor și de flexibil pentru a fi folosit pe sateliți mai mici, cercetarea ar putea fi mai ușoară și mai ieftină. Scutul de căldură ar contribui, de asemenea, la economisirea costurilor în misiunile de recuperare, întrucât traiectul ridicat indus reduce cantitatea de combustibil ars la reintrare. "
Atunci când vine timpul ca navele spațiale mai grele să fie dislocate pe Marte, ceea ce va implica probabil misiuni cu echipaj, este posibil ca scuturile de căldură care se asigură că îl fac în siguranță la suprafață să fie compuse din materiale ușoare, flexibile, care se învârt pentru a deveni rigide. Între timp, acest proiect ar putea permite sisteme de intrare ușoare și compacte pentru nave spațiale mai mici, ceea ce face ca cercetarea CubeSat să fie mult mai accesibilă.
Aceasta este natura explorării spațiale moderne, care se referă la reducerea costurilor și la îmbunătățirea spațiului. Și asigurați-vă că vedeți și acest videoclip din testul de scădere al echipei, prin amabilitatea lui Rui Wui și a echipei MACE:
